Các phương pháp phân tích hệ thống điện ứng dụng lập chương trình hỗ trợ các phương pháp giảng dạy phân tích lưới

Các thông số của đường dây không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý của các thiết bị điện mà còn phụ thuộc vào các thông số động như công suất truyền tải của đường dây, điện áp và dòng đi

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Các phương pháp phân tích hệ thống điện ứng dụng lập chương trình hỗ trợ các phương pháp giảng dạy phân tích lưới

Chương I:

tổng quan về hệ thống điện

I.1 Khái niệm về hệ thống điện

Là một hệ thống bao gồm tất cả các phần tử tham gia vào việc sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng Bao gồm các nhà máy điện , trạm biến áp , các đường dây truyển tải điện và các thiết bị khác như tụ bù, thiết bị điều khiển, thiết bị bảo

vệ được nối với nhau thành hệ thống hợp nhất

Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng, nhằm thực hiện nhiệm vụ cung

cấp điện năng cho sinh hoạt và hoạt động sản xuất, xó hội, dịch vụ của con người, là

một dạng năng lượng dễ sử dụng và cú tớnh phự hợp cao với nhiều mục đớch khỏc nhau

Vỡ vậy mà năng lượng điện đang ngày càng chiếm thị phần lớn trong hệ thống năng lượng tiờu thụ và đang trở thành một dạng năng lượng chủ lực cho tất cả cỏc hoạt động của con người

Các quá trình vật lý xảy ra trên đường dây truyền tải từ máy phát qua máy biến áp và tới các tải công nghiệp hay các hộ tiêu thụ vừa và nhỏ đều liên quan tới các quá trình điện

từ trên đường dây tải điện Các thông số của đường dây không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý của các thiết bị điện mà còn phụ thuộc vào các thông số động như công suất truyền tải của đường dây, điện áp và dòng điện

- Khâu sản xuất điện năng là nhiệm vụ của các nhà máy điện Các nguồn năng lượng cung cấp lên đường dây cung cấp cho các phụ tải vả các hộ tiêu thụ là do các nhà máy

điện cung cấp Ta có thể phân ra một số loại nhà máy điện dựa vào nguồn năng lượng mà

nó sử dụng để biến đổi thành điện năng như sau:

+ Nhà máy thuỷ điện-biến đổi thuỷ năng của dòng nước thành điện năng Đây là loại năng lượng được khai thác tập trung hơn cả do nguồn năng lượng sơ cấp của nó không mất tiền mua ,chỉ tốn công xây dựng nhà máy đường dây truyền tải công suất về các trung tâm công nghiệp thường cách xa nhà máy

+ Nhà máy nhiệt điện - bíên đổi nhiệt năng thành điện năng, nguồn nhiệt lấy từ các chất đốt có sẵn trong tự nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt lấy từ ngành công nghịêp khai thác nguyên liệu chất đốt Các nhà máy này phải xây dựng ở nơi có đường giao thông thuận lợi, nhất là về giao thông đường thuỷ

+ Nhà máy điện nguyên tử - là loại nhà máy điện hiện đại nhất hiện nay do tình chất nguy hiểm của nó trong quá trình sản xuất điện Nhà máy này sản xuất điện năng nhờ và năng lượng hạt nhân được giải phóng trong phản ứng hạt nhân Sử dụng hai loại phản ứng hạt nhân để sản xuất năng lượng là phản ứng phân hạch và phản ứng nhịêt hạch Trong các nhà máy này, đảm bảo an toàn cho người vận hành và cho kiểm soát tộc độ phản ứng được quy định hết sức kĩ càng và ngặt ngèo

- Khâu truyền tải và phân phối điện năng là nhiệm vụ của hệ thống đường dây và các trạm biến áp cũng như có sự tham gia của các thiết bị điều khiển, bảo vệ Phần này sẽ

được đi sâu và chi tiết hơn ở chương hai khi nói về các phần tử trong hệ thống điện

- Khâu cuối cùng trong hệ thống điện là vấn đề tiêu thụ điện năng ở đây là nói đến các phụ tải điện sử dụng điện năng để biến đổi thành các dạng năng lượng khác,phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất Có rất nhiều loại phụ tải điện ,nó là thông số quan trọng để xây dựng lưới điện và cấu trúc hệ thống điện

Ta có thể phân biệt nhiệu loại hệ thống điện:

- Hệ thống điện tập trung ,trong đó các nguồn điện và các nút phụ tải lớn tập trung trong một phạm vi vừa và nhỏ, chỉ cần dùng các đường dây ngắn để tạo thành hệ thống

- Hệ thống điện hợp nhất ,trong đó các hệ thông điện độc lập ở cách xa nhau được nối liền thành hệ thống các đường dây tải điện siêu cao áp

- Hệ thống điện địa phương hay cô lập là hệ thống điện riêng, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các hệ thống điện ở các vùng xa không thể nối vào hệ thống điện quốc gia

Trong quản lý, hệ thống điện phân thành:

- Các nhà máy điện do các nhà máy điện tự quản lý

- Lưới hệ thống siêu cao áp (>=220kV)và trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý

- Lưới truyền tải và phân phối do các công ty lưới điện quản lý, dưới nó là các sở

điện

Về mặt quy hoạch ,hệ thống điện chia thành 2 cấp:

-Nguồn điện, lưới hệ thống ,các trạm khu vực được quy hoạch trong tổng sơ đồ -Lưới truyền tải và phân phối được quy hoạch riêng

Về mặt điều độ, hệ thống điện chia ra 3 cấp:

- Lưới truyền tải(35-220 kV)

- Lưới phân phối trung áp (6-35 kV)

- Lưới phân phối hạ áp

Mỗi loại lưới có các quy luật hoạt động và tích chất vật lý khác nhau ,do đó các phương pháp tính được sử dụng khác nhau,các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau

I.2 Khỏi niệm về mạng điện

M ạng điện là một phần của hệ thống điện, là một tập hợp gồm cú cỏc trạm biến

ỏp, tr ạm đúng cắt, cỏc đường dõy trờn khụng và cỏc đường dõy cỏp Mạng điện được dựng để truyền tải và phõn phối điện năng từ cỏc nhà mỏy điện đến cỏc hộ tiờu thụ

Đường dõy truyền tải điện cú điện ỏp lớn hơn 1 kV là đường dõy điện ỏp cao Đường dõy cú điện ỏp nhỏ hơn 1 kV là đường dõy điện ỏp thấp

Truyền tải điện năng từ cỏc nhà mỏy điện được thực hiện bằng cỏc đường dõy truyền

tải điện ỏp từ 100 kV trở lờn

Cỏc trạm được sử dụng để biến đổi điện ỏp và phõn phối điện năng Trong cỏc trạm

cú cỏc mỏy biến ỏp, cỏc thanh gúp, cỏc thiết bị đúng cắt và cỏc thiết bị phụ để bảo vệ, đo lường, điều khiển và tự động hoỏ Cỏc trạm điện được dựng để liờn kết cỏc mỏy phỏt điện

và cỏc hộ tiờu thụ điện với cỏc đường dõy truyền tải điện, và cũng như để liờn kết cỏc

phần riờng biệt của hệ thống điện

Như vậy cũn hai phẩn tử nữa của hệ thống điện là hộ tiờu thụ điện hay cũn gọi là phụ

tải và nguồn điện (cỏc nhà mỏy điện)

Hộ tiờu thụ điện bao gồm cỏc thiết bị sử dụng điện riờng biệt hay là tập hợp tất cả thiết bị điện đú Thiết bị sử dụng điện là cỏc động cơ điện đồng bộ, động cơ khụng đồng

bộ, cỏc lũ điện cảm, mỏy hàn điện, cỏc thiết bị chiếu sỏng

Dựa vào yờu cầu liờn tục cấp điện, cỏc hộ tiờu thụ được phõn thành ba loại:

Hộ loại 1 : là những hộ tiờu thụ điện quan trong, nếu như ngừng cung cấp điện cú thể gõy ra nguy hiển đến tớnh mạng và sức khỏe của con người, gõy thiệt hại nhiều về kinh tế,

hư hỏng thiết bị, làm hỏng hàng loạt sản phẩm, rối loạn cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ phức tạp ( cỏc lũ luyện gang, thộp hay mạ, sản xuất hoỏ chất độc hại)

Hộ loại II : là cỏc hộ tiờu thụ nếu như ngừng cung cấp điện chỉ gõy thiệt hại kinh tế

do quỏ trỡnh sản xuất bị giỏn đoạn ( cỏc nhà mỏy cụng cụ, dệt, sản xuất dõy chuyền )

Hộ loại III : là tất cả cỏc hộ tiờu thụ khụng thuộc hai loại trờn ( như sinh hoạt dõn

dụng, chiếu sỏng trường học )

I.3 Phân loại mạng điện

Mạng điện có thể tiến hành phân loại theo dòng điện, điện áp, chức năng thực hiện, tính chất của hộ tiêu thụ, hình dáng của sơ đồ

- Theo loại dòng điện, các mạng điện được chia thành mạng xoạy chiều, mạng một chiều Đa số các nước tiêu thụ điện trên thế giới đều sử dụng mạng điện xoạy chiều ba pha tần số 50 hz, hoặc 60 hz Các mạng điện một chiều được dùng để truyền tải công suất hay để liên kết các hệ thống điện với nhau Ngoài ra điện một chiều còn được sử dụng trong một số lĩnh vực, ví dụ trong công nghiệp hoá chất, điện khí hoá giao thông, truyền động điện

- Theo điện áp, mạng điện được chia theo các loại điện áp siêu cao áp( ≥330 kV), điện áp cao áp(3-330 kV) và điện áp hạ áp (<1 kV)

- Theo hình dáng sơ đồ nối điện, các mạng điện được chia thành mạng điện kín hoặc

mạng điện hở Mạng điện hở là mạng điện trong đó các phụ tải được cung cấp điện chỉ từ

một phía, còn mạng điện kín là mạng điện mà phụ tải được cung cấp ít nhất từ hai phía trở lên

- Theo chức năng thực hiện, có thể phân mạng điện thành mạng truyền tải hệ thống,

mạng cung cấp và mạng phân phối Mạng truyền tải hệ thống có cấp điện áp cao từ 330 đến 1150 kV, có nhiệm vụ tạo thành hệ thống điện hợp nhất giữa các nhà máy điện công

suất lớn, đảm bảo chúng vận hành như một hệ thống nhất và đồng thời đảm bảo chuyển

tải hết công suất phát ra từ các nhà máy điện đó Mạng truyền tải hệ thống thực hiện việc

kết nối hệ thống, nghĩa là nối kết trên một khoảng cách rất lớn giữa các hệ thống điện và được điều khiển vận hành từ một trung tâm điều độ hợp nhất quốc gia Mạng cung cấp hay còn gọi là mạng khu vực được sử dụng để truyền tải điện năng từ các thanh góp điện điện áp cao Udd : 110 - 220 kV của các nhà máy điện đến các trạm biến áp khu vực (các trung tâm cung cấp) của mạng phân phối Các mạng cung cấp có điện áp từ 110 kV trở lên, đôi khi do mật độ phụ tải tăng, công suất của các nhà máy điện cũng tăng và chiều dài

mạng điện cũng tăng nên cấp điện của mạng cũng tăng lên, đôi khi có thể lên đến 330

-550 kV Trong các trạm khu vực có các máy biến áp điều chỉnh điện áp dưới tải Mạng phân phối được dùng để truyền tải điện năng từ các thanh góp hạ áp của các trạm khu vực

đến cỏc hộ tiờu thụ điện Khoảng cỏch truyền tải của cỏc mạng phõn phối khụng lớn Cỏc

mạng phõn phối hở hay vận hành hở Cỏc mạng phõn phối được chia thành mạng điện ỏp cao và mạng điện ỏp thấp (hạ ỏp)

- Theo tớnh chất của hộ tiờu thụ cỏc mạng điện phõn phối được chia thành mạng điện cụng nghiệp, mạng điện nụng nghiệp và mạng điện thành phố

- Theo vựng lónh thổ, cỏc mạng điện được phõn thành mạng khu vực và mạng điện địa phương Cỏc mạng khu vực dựng để cấp và phõn phối điện năng trờn một khu vực

rộng lớn Mạng khu vực cú điện ỏp từ 100kV trở lờn Cỏc đường dõy truyền tải của mạng khu vực cú chiều dài lớn Mạng địa phương cú điện ỏp đến 66 kV và được dựng để cung

cấp điện cho khu vực nhở Cỏc đường dõy truyền tải trong mạng điện địa phương cú chiều dài dưới 50-60 km Cỏc mạng điện thành phố, mạng cụng nghiệp và mạng điện nụng nghiệp là cỏc mạng điện địa phương

Mỗi một mạng điện được đặc trưng bằng điện ỏp danh định, điện ỏp này được sử

dụng để tớnh điện ỏp danh định của cỏc thiết bị trong mạng điện ( mỏy phỏt điện, mỏy biến

ỏp, đường dõy ) Điện ỏp danh định đảm bảo cho cỏc thiết bị làm việc bỡnh thường và đạt được hiệu quả kinh tể tốt nhất

Cỏc giỏ trị tiờu chuẩn của điện ỏp danh định trờn thế giới với mạng xoay chiều điện

ỏp cao (kV) là : 3; 3,3 ; 6,6 ; 10 ; 11; 15; 20; 22; 30; 35; 45; 47; 66; 69; 110; 115; 132; 150; 161; 220; 230; 275; 287; 330; 345; 380; 400; 500; 735; 765; 1150

Đối với cỏc mạng điện ỏp thấp, điện ỏp danh định giữa cỏc pha và điện ỏp pha là : 220/127; 380/22/ ; 660/380 (V)

Cỏc mạng điện một chiều cú thể cú cỏc cấp điện ỏp : ±80, ±100, ±125, ±200, ±250,

±266, ±270, ±300, ±400, ±200, ±450, ±500, ±533, ±600, ±750

Dự bỏo cú thể xuất hiện cỏc mạng điện xoay chiều cú cỏc cấp điện ỏp cao hơn như

1050, 1100, 1300, 1500, 200-2500 kV và đường dõy một chiều ±1500 kV

I.4 Yêu cầu đối với mạng điện

Khi thiết kế mạng điện cần phải bảo đảm 4 yêu cầu chính sau đây

1.4.1 Liên tục cung cấp điện

Mức bảo đảm tuỳ theo loại hộ dùng điện

a Hộ loại 1

Không cho phép mất điện, nếu bị mất điện sẽ bị thiệt hại về kinh tế, về chính trị Nguy

gió cho công nhân làm việc trong các hầm lò, những buổi đón tiếp mít tinh quan trọng ta phải tìm mọi cách để đảm bảo liên tục cung cấp điện như dùng đường dây kép dẫn điện đến, lấy điện từ nhiều nguồn khác nhau, đặt thiết bị phát điện dự phòng

b Hộ loại 2

Hộ loại này nếu bị mất điện cũng gây tác hại về kinh tế, nhưng ta phải so sánh về mặt kinh tế giữa khoản tiền lúc có đặt thiết bị dự phòng với khoản tiền thiệt hại cho sản xuất khi bị mất điện mà không có thiết bị dự phòng, trường hợp nào kinh tế hơn thì làm

Ví dụ: Như nhà máy dệt, phải tính xem nếu phải dùng đường dây kép để dẫn điện thì tiền phí tổn xây dựng, bảo quản tu sửa phải tăng thêm bao nhiêu, đồng thời ta cũng tính trường hợp chỉ dùng một đường dây cung cấp điện, khi bị mất điện một thời gian thì nhà máy bị thiết hại vì ngưng sản xuất, phế phẩm, tiền lương công nhân là bao nhiêu, và cuối cùng xem trường hợp nào có lợi thì làm

c Hộ loại 3

Hộ loại này không cần bảo đảm liên tục cung cấp điện nhiều lắm như: trường học, khu vực điện sinh hoạt nông thôn

1.4.2 Bảo đảm chất lượng điện năng

Chất lượng của điện năng là điện áp U và tần số f Ta phải bảo đảm điện áp và tần số

ở trị số định mức Điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng ± 5% so với điện áp định mức, có những thiết bị điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng ± 2,5% (có những thiết bị chính xác, đèn thắp sáng trong xí nghiệp ) Nếu điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50% Nếu điện áp giảm đi 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, động cơ quay chậm lại và nếu hạ thấp nữa thì có thể ngừng quay

Chỉ những phương án có sơ đồ nối dây hợp lý bảo đảm được chấp lượng điện năng trong mọi tình trạng vận hành khác nhau (bình thường cũng như lúc sự cố), thì mới được giữ lại để so sánh kinh tế, quyết định lựa chọn phương án cuối cùng

1.4.3 Chỉ tiêu kinh tế cao

Chỉ tiêu kinh tế cao của một mạng điện chủ yếu là do:

- Vốn đầu tư nhỏ nhất

- Tổn thất điện năng dọc đường dây ít nhất

Khi thiết kế phải chú ý những điều trên để đạt được chỉ tiêu kinh tế cao nhất Tuyệt

đối không thể chỉ quá chú trọng về mặt kỹ thuật mà coi nhẹ mặt kinh tế Quan điểm kinh

tế - kỹ thuật phải được áp dụng thật linh hoạt tuỳ theo từng giai đoạn, tuỳ theo chính sách của nhà nước Thường hai điểm trên mâu thuẫn với nhau, ta phải linh động tuỳ theo chính

10/0,4 kV Luới hạ áp

Phụ tải Luới trung áp

sách mà thiết kế, ví dụ như vốn của nhà nước còn ít thì lại phải chú ý đến vốn đầu tư ban

đầu

1.4.4 An toàn đối với con người

Khi quyết định sơ đồ nối dây của mạng điện cần phải đảm bảo an toàn cho công nhân, nhân viên thao tác vận hành, phải đảm bảo an toàn cho nhân dân ở những vùng có

đường dây đi qua Tại Việt Nam rất coi trọng vấn đề này, tuyệt đối không thể coi nhẹ được

II Phụ tải điện

- Cũng có thể cho theo dòng điện

- Hay là khái niệm dùng để chỉ chung các hộ dùng điện và các thiết bị dùng điện

Phụ tải điện là thông số quan trọng trong quy hoạch lưới điện,lựa chọn các phần tử và lập kế hoạch vận hành

II.2 Đặc điểm của phụ tải điện

Phụ tải gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng Công suất tác dụng là công suất sinh ra công, gây tiêu hao năng lượng của nguồn điện, công suất phản kháng Q

là công suất sinh ra từ trường, mang tính cảm, không tiêu thụ năng lượng của nguồn điện, nhưng dòng điện chạy trong dây dẫn lại gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng

Phụ tải điện có các đặc điểm sau:

- Biến thiên theo quy luật của sinh hoạt và sản xuất là quy luật ngày và đêm.Do đó

đồ thị phụ tải ngày đêm của các ngày thứ 2- 6 là có thể coi như giống nhau,còn ngày nghỉ thì khác hơn

- Tại một thời điểm,phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình và theo phân phối chuẩn

- Ngoài ra phụ tải còn có tính chất mùa

- Phụ tải biến thiên mạnh theo thời tiết,đặc biệt là nhiệt độ môi trường, mưa hoặc khô

- Phụ tải biến đổi theo tần số và điện áp tại điểm đấu vào lưới điện theo công thức:

P=Kp(U)pv(f)pf

Q=Kq(U)qv(f)qf

Kp,Kq:phụ thuộc vào giá trị định mức của phụ tải P, Q

pv,pf,qv,qf:là đại lượng thống kê đặc trưng cho các loại thiết bị dùng điện

Tuy nhiên, đôi khi người ta tính công suất tác dụng và phản kháng dựa vào đặc tính

có dạng một parabol :

P=U2/Rpt

Q=U2/Xpt

III Hoạt động của hệ thống điện

III.1 Chế độ làm việc của hệ thống điện và cân bằng công suất

Khi hệ thống điện hoạt động, điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy điện truyền lên lưới hệ thống, từ lưới này điện năng đi qua lưới truyền tải đến lưới phân phối,

và tại đây điện năng được phân phối cho các phụ tải cấp trung áp và qua các trạm biến áp phân phối để điện năng cung cấp cho mạng lưới điện hạ áp

Các quá trình điện từ và các quá trình khác xảy ra trong hệ thống điện hay một phần của hệ thống điện và xác định trạng thái của nó trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ hệ thống điện

Chế độ hệ thống điện bao gồm các thông số về công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp, dòng điện tại mọi điểm của hệ thống điện Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian do nhu cầu điện năng của phụ tải luôn biến đổi theo quy luật sản xuất và sinh hoạt và các sự cố bất thường như: ngắn mạch, hỏng hóc ngẫu nhiên các tổ máy phát

- Chế độ làm việc của hệ thống điện tại chế độ xác lập là chế độ làm việc mà các thông số của hệ thống điện chỉ dao động trong khoảng thời gian rất bé, gần như không đổi

- Chế độ quá độ là chế độ mà trong đó các thông số hệ thống biến đổi rất nhanh, mạnh do một sự biến động đột ngột về giá trị một thông số hệ thống nào đó được phân ra làm hai loại: chế độ quá độ bình thường và chế độ qúa độ sự cố

Trong chế độ quá độ bình thường, các thông số biến đổi nhanh và sẽ hội tụ tại một giá trị cân bằng mới, đưa chế độ hệ thống điện chuyển sang chế độ xác lập mới, nguyên nhân của chế độ qúa độ bình thường là sự thay đổi phụ tải hay thay đổi thông số vật lý của

hệ thống điện Trong chế độ quá độ sự cố, là sự thay đổi thông số chế độ nhanh và mạnh

và không tiến tới một giá trị cân bằng như trường hợp trước và có thể dẫn tới việc tách lưới

do hệ thống bảo vệ của hệ thống tác động

* Cân bằng công suất của hệ thống điện

Do đặc điểm của điện năng là một dạng năng lượng không thể dự trữ được nên tại mọi thời điểm khi vận hành hệ thống điện, luôn luôn phải duy trì cân bằng công suất của

hệ thống, nếu không sẽ ảnh hưởng tới các quá trình làm việc của máy móc hoặc thậm chí dẫn tới tan rã lưới hệ thống

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống phải luôn được cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ

Thước đo cho sự cân bằng này là 2 chỉ tiêu chất lượng điện năng là tần số và điện áp Nếu công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải thỉ sẽ làm cho tần số của hệ thống giảm xuống, ngược lại thì tấn số sẽ tăng lên cao Nếu tần số của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống coi như đủ công suất tác dụng Do tần số là một thông số tức thời tại mọi thời điểm nên để đảm bảo giữ cho tần số nằm trong phạm vi cho phép thì cần có dự trữ công suất cho hệ thống, nhà máy đảm nhận việc dự trữ công suất cho hệ thống sẵn sàng đáp ứng khi hệ thống yêu cầu gọi là nút cân bằng của hệ thống Và hệ thống dự trữ công suất này gọi là bộ điều chỉnh tần số hay gọi là bộ điều tần Ngoài công suất dự trữ sự cố, còn có thể đặt thêm công suất dự trữ bảo quản để bảo quản các tổ máy mà không ảnh hưởng đến phụ tải

Trước hết, công suất điện nói chung cần đảm bảo cung cấp cho phụ tải và các tổn hao ngay cả trong khi có sự cố tại thời điểm phụ tải cực đại năm theo công thức sau:

m : hệ số xuất hiện đồng thời các phụ tải cực đại

∑ Ppt :tổng công suất của các phụ tải

thì lấy 5-10%(m.∑P pt +∑∆P);thuỷ điện lấy bằng 1%

10% công suất phụ tải

Pdtsc:công suất dự trữ sự cố ,bằng khoảng

10- 15%(m.∑P pt +∑∆P) và lớn hơn công suất tổ máy lớn

nhất;

Pdtbq:công suất dự trữ bảo quản , nhu cầu công suất này được

tính theo điều kiện cụ thể của hệ thống điện

Với việc cân bằng công suất phản kháng ,ta lấy thước đo là điện áp nút Nếu điện áp nằm trong giới hạn quy định thì công suất phản kháng của hệ thống là đáp ứng đủ cho phụ tải Nếu không thì điện áp sẽ tăng quá cao hay giảm thấp,và cũng gây ra hậu quả nguy hiểm không kém so với tần số, nếu quá áp thị dẫn tới các cách điện không chịu đựng được

và có thể gây cháy nổ động cơ hay thiết bị, nếu tụt áp thì sẽ dẫn tới quá trình suy giảm

điện áp và có thể dẫn tới rã lưới

Việc cân bằng công suất phản kháng của hệ thống cũng được tiến hành tương tự :

∑ Qpt :tổng công suất phản kháng của phụ tải

m : hệ số xuất hiện đồng thời các phụ tải cực đại (m=1)

∑Qtd:tổng công suất phản kháng tự dùng của nhà máy điện

∑Qdt:tổng công suất phản kháng dự trữ của hệ thống

∑∆Q:tổng tổn thất công suất phản kháng của hệ thống

∑Qc :tổng công suất phản kháng do đường dây sinh ra

∑ QB:công suất tổn hao của các máy biến áp ,lấy xấp xỉ

20%∑ Spt

Trong trường hợp công suất phản kháng của hệ thống không có khả năng phát đủ thì

ta phải tiến hành bụ công suất phản kháng cho lưới điện theo nguyên tắc bù từ xa tới gần

và bù từ hệ số công suất thấp tới hệ số công suất cao Khi đó công suất phản kháng bù

được tính theo công thức sau:

Qb = m.∑ Qpt +∑Qtd+∑Qdt+∑ QB+∑∆Q - ∑Qc-∑QF

Trong thiết kế lưới điện hệ thống đơn giản, ta coi ∑Qtd=0 , bỏ qua công suất phản kháng sinh ra do dung dẫn của đường dây, công suất phản kháng tiêu hao do vận hành máy biến áp

Cân bằng công suất hệ thống điện là điều kiện cần cho sự tồn tại chế độ xác lập của

hệ thống Điều kiện đủ là ổn định tĩnh Đó là khả năng khôi phục lại thông số trạng thái làm việc ban đầu của thiết bị sau khi bị các kích động nhỏ, nó phụ thuộc vào thông số cấu trúc của hệ thống, tức là đảm bảo được các bất phương trình trên

Khi hệ thống có các biến động lớn mà vẫn phục hồi được chế độ ban đầu thì ta nói hệ thống điện có khả năng ổn định động ổn định động được đảm bảo nhờ cấu trúc hợp lý của lưới, các thiết bị điều khiển, và đóng cắt, các thiết bị chống sự cố khác

ổn định động là điều kiện làm việc lâu dài của hệ thống điện

III 2.Mục đích hoạt động của hệ thống điện

Ta biết rằng nhu cầu sử dụng điện như nguồn năng lượng tiện lợi nhất cho sinh hoạt

và sản xuất Đó là lý do thúc đẩy sự phát triển của hệ thống điện Và khi đã đứng trên

nhiệm vụ sản xuất điện năng cho xã hội thì ngành điện phải đảm bảo chất lượng điện năng cho sản xuất và sinh hoạt cũng như đảm bảo hiệu quả kinh tế để tự nuôi sống chính mình Như đã biết, hệ thống điện được đánh giá theo 4 tiêu chuẩn:

- An toàn điện

- Chất lượng điện năng

- Độ tin cậy cung cấp điện

- Hiệu quả kinh tế

Điện năng sản xuất sử dụng trong đời sống có mức độ nguy hiểm rất lớn đối với con người, và hậu quả thường là ảnh hưởng tới tính mạng của con người Vì vậy việc đảm bảo

an toàn cho con người và cho cả hệ thống điện là hết sức quan trọng

Việc đảm bảo an toàn cho con người được thực hiện bằng cách tạo khoảng cách an toàn cách ly người và các thiết bị mang điện, với những người làm việc với điện thì phải

có các dụng cụ an toàn chống tiếp xúc với điện áp, dòng điện Ngoài ra còn có hệ thống nối đất chống dò điện, gây tổn thương cho con người khi sơ ý chạm vào vật bị rò điện An toàn cho các thiết bị điện được đảm bảo bằng hệ thống điều khiển và bảo vệ tự động Bảo

vệ hệ thống điện khỏi các sự cố nguy hiểm cho thiết bị điện và các máy điện

- Vấn đề chất lượng điện năng của hệ thống,được thể hiện bằng hai thông số là điện

áp và tần số Như đã nói ở phần cân bằng công suất, đây chính là hai thước đo sự cân bằng công suất của hệ thống Đảm bảo điện áp nút và tần số hệ thống nằm trong vùng chấp nhận được là đảm bảo được chất lượng điện năng của hệ thống, người ta dùng nhiều biện pháp để đảm bảo vấn đề này, như đã giới thiệu chung ở phần cân bằng công suất trên

- Độ tin cậy cung cấp điện là khả năng cung cấp điện liên tục cho phụ tải mà không

bị gián đoạn trong thời gian dài Vấn đề này quan trọng do tính chất ảnh hưởng của điện năng tới các công việc khác trên các khía cạnh mang tính xã hội và ảnh hưởng tới đời sống Với các phụ tải loại một, như các toà nhà chính trị, điện năng dùng cho chiếu sáng, dùng cho các hệ thống thông tin liên lạc quan trọng mang tầm cỡ ảnh hưởng tới quốc gia, hay ở các bệnh viện, việc cứu chữa bệnh nhân hết sức quan trọng và cần có sự trợ giúp của các thiết bị kĩ thuật dùng điện, nên cung cấp điện liên tục cho các bệnh viện là phải được

ưu tiên hàng đầu, sau đó là các phụ tải công nghiệp, các xí nghiệp sản xuất nếu bị gián

đoạn sản xuất do mất điện có thể làm cho sản phầm trở thành phế phẩm…cuối cùng là hộ sinh hoạt, mặc dù luôn hạn chế việc cắt điện trong lưới nhưng hộ sinh hoạt được ưu tiên cuối cùng khi cung cấp công suất cho phụ tải

- Cuối cùng là hiệu quả kinh tế của vận hành hệ thống điện, thể hiện bằng độ tổn thất điện năng, giá thành điện năng, chi phí vận hành hằng năm…Các chỉ tiêu này phải nằm trong khoảng chấp nhận được

Chương II:

Mô hình hoá các phần tử của hệ thống điện

Lý thuyết về giải tích lưới điện

I Thay thế các phần tử trong hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử từ máy phát đến đường dây và tới các nút phụ tải Một cách khái quát thì hệ thống điện gồm những phần tử chính như sau:

- Máy phát

- Máy biến áp

- Đường dây

- Tụ điện, kháng điện để điều chỉnh điện áp nút hay bù công suất cho đường dây

- Các phần tử điều khiển SVC, các thiết bị đóng cắt như máy cắt, dao cách ly, và các thiết bị khác

Đứng trên quan điểm về giải tích lưới, ta quan tâm tới các thiết bị chính trong hệ thống tham gia trực tiếp vào việc truyền tải điện năng và ảnh hưởng trực tiếp đến thông số của hệ thống điện Như là máy phát, máy biến áp, đường dây, tụ , kháng điện, phụ tảỉ điện

I.1 Máy phát và sơ đồ thay thế của máy phát

Máy phát là bộ phận khởi đầu cho bất cứ một hệ thống điện nào Đây là nơi cung cấp

điện năng phát lên lưới Trong chế độ xác lập,máy phát chỉ được coi như là một nút phát công suất âm của lưới điện Ngoài ra máy phát còn có những chế độ làm việc khác và tương ứng có những sơ đồ thay thế hợp lý hơn phục vụ cho việc giải tích lưới tính toán thông số chế độ, như chế độ quá độ,chế độ sự cố

Như vậy, máy phát điện trong nghiên cứu ở chế độ xác lập được coi như một nút phát công suất vào lưới điện và theo qui ước chung,công suất sẽ mang dấu âm

Thay thế máy phát trong chế độ xác lập

P,E

I.2 Đường dây và sơ đồ thay thế đường dây

Đường dây là phần tử chính để truyền tải điện năng,có rất nhiều loại đường dây khác nhau nhưng chúng cùng mang bản chất vật lý giống nhau, cùng là loại vật chất dẫn điện

và dùng để truyền tải công suất ,tiêu hao một phần điện năng trên đường dây qua hiệu ứng Jun−Lenxơ, phát nhiệt ra ngoài môi trường gây tổn hao công suất,với dòng điện xoay chiều thì tạo ra từ trường biến thiên xung quanh dây dẫn, gây tổn hao năng lượng

Ngoài ra giữa các pha của dây dẫn còn có sự cảm ứng của từ trường biến thiên lẫn nhau gây điện áp cảm ứng trongdây dẫn Giữa các pha còn có điện dung kí sinh gây dòng

điện rò và tổn hao công suất phản kháng Các tổn hao này đều được tính đến trong quá trình giải tích lưới nhằm đạt được độ chính xác cho kết quả

+ Do mang một điện trở nhất định,đường dây luôn toả ra nhiệt lượng khi đang vận hành, đây là hiện tượng phát nóng dây dẫn và đặc trưng bằng diện trở của dây dẫn Với mỗi km chiều dài, điện trở của dây dẫn được gọi là điện trở đơn vị : Ro (Ω/km)

+ Với dòng điện xoay chiều luôn tồn tại trên đường dây, giữa các dây dẫn sẽ có từ trường tự cảm và hỗ cảm gây ra giữa các dây dẫn Hiện tượng này gây ra tổn thất công suất phản kháng và tạo điện áp rơi trên toàn bộ chiều dài đường dây, và được đặc trưng bởi thông số vật lý là điện kháng đơn vị : Xo(Ω/km)

+ Điện áp xoay chiều tồn tại trên đường dây gây ra điện trường giữa các dây dẫn, giữa dây dẫn với đất Điện trường này gây ra dòng điện dung có tác dụng làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm (của phụ tải) chạy trong dây dẫn và được đặc trưng bởi dung dẫn đơn vị Bo(1/Ω/km), hoặc là công suất phản kháng dung tính Qc của đường dây, công suất này có giá trị đáng kể ở các đường dây cao áp điện áp trên 110kV

+ Một hiện tượng vật lý nữa thường xảy ra tại điện áp cao gây tổn thất điện năng là tổn thất vầng quang, đó là hiện tượng phóng điện vầng quang, và đặc trưng bởi điện dẫn

đơn vị tính trên mỗi km chiều dài dây dẫn: Go(1/Ω/km) điện dẫn của đường dây G chỉ

được tính ở điện áp cao trên 330kV vì ở điện áp thấp hơn, tổn thất vầng quang và rò điện rất nhỏ, không đáng kể

Tất cả các thông số trên đều được tính trên mỗi km chiều dài dây dẫn nên gọi là thông số rải Và được tính toán trên toàn bộ đường dây Sau đó mới được thay thế bằng thống số tập trung và lựa chọn sơ đồ thay thế tập trung tương ứng với mỗi cấp điện áp

Tổng quát,dây dẫn được thay thế bằng sơ đồ như sau:

Với các thông số được xác định như sau:

R=Ro*L/n X=Xo*L/n C=Co*L*n/2 G=Go*L*n/2

Với L: chiều dài đường dây (km)

n: số lộ đường dây

Tuy nhiên trong các cấp điện áp khác nhau thì sơ đồ thay thế dây dẫn theo thông số tập trung cũng được rút gọn và đơn giản hơn Tương ứng với từng cấp điện áp , sơ đồ thay thế như sau:

- Với lưới cao áp, hoặc siêu cao áp có độ dài ngắn, phóng điện vầng quang được coi như bỏ qua vì cường độ điện trường gây ra do điện áp giữa các pha tuy lớn nhưng chưa gây ra phóng điện vầng quang lớn tạo tổn thất đáng kể Hoặc với cáp điện thì hiện nay cũng chưa có loại cáp điện dùng cho cấp điện áp này Tuy nhiên ở cấp điện áp cao nên

điện dung giữa các pha vẫn đáng kể nên vẫn được tính đến

jB/2 G/2

jX R

jB/2 G/2

I.3 Máy biến áp và sơ đồ thay thế

- Nhánh đường dây đã được thay thế theo sơ đồ tập trung như trên, tuy nhiên trong lưới điện còn có các phần tử khác tham gia vào hệ thống và, làm cho thông số của hệ thống thay đổi như MBA, tụ điện và kháng điện cho việc bù công suất trên phản kháng trên đường dây, vừa cho bù kĩ thuật lại vừa bù kinh tế Đứng trên quan điểm giải tích lưới

điện, ta thay thế các phẩn tử trên bằng các thông số nhánh như thay thế đường dây, và gọi

là các nhánh MBA hoặc nhánh tụ, kháng

R jX

Với nhánh MBA, ta có 2 loại máy biến áp, MBA hai cuộn dây và MBA ba cuộn dây Với mỗi loại ta phải có cách thay thế khác nhau phù hợp với đặc điểm từng loại máy MBA khi vận hành luôn có tổn hao không tải dù nó có truyền tải công suất hay không,

đây là tổn hao trong lõi thép của MBA, sinh ra do từ thông trong lõi thép của MBA gây phát nóng do các hiệu ứng về dòng Fuco hay tổn hao mạch từ khi truyền tải công suất qua máy biến áp Tổn thất không tải được đặc trưng bởi nhánh ngang trong sơ đồ thay thế máy biến áp :

∆S• = ∆ Po + j ∆ Qo

Được tính bằng các kết quả của thí nghiệm không tải Kết quả này do nhà sản xuất

đo đạc và đưa ra dựa trên kết quả về dòng điện không tải và tổn hao công suất tác dụng không tải Từ đây có thể tìm giá trị điện dẫn và dung dẫn của MBA theo các công thức sau:

100

S

% I

Qo = o dd

∆

2 cdd

dd o 2

cdd

o b

U 100

S

% I U

Q

Trong đó các đơn vị của thông số là: MW, MVA, kV

Bản thân MBA được thay thế bằng các thông số về điện trở và điện kháng Các giá trị này được xác định bằng các thí nghiệm ngắn mạch Tổn thất công suất tác dụng trong thí nghiệm ngắn mạch rất nhỏ nên ta cho rằng tất cả tổn thất công suất trong thí nghiện ngắn mạch ∆Pn sẽ đốt nóng các cuộn dây MBA, và hiên tượng này là hiệu ứng Jun−Lenxơ được tính trên 3 cuộn dây của MBA như sau:

b 2 cdd

2 dd b

2 dd

u

s R I 3

∆

Vậy

dd 2

3 2 cdd n b

S

10 U P

2 cdd

o b

U P

U

%u

(Ω)

I.3.1 Máy biến áp hai dây quấn

Sơ đồ thay thế của MBA hai cuộn dây bằng sơ đồ thông số tập trung hình π như sau:

- Ta coi một MBA bao gồm các tổn thất không tải và các thông số dặc trưng của nó

được phân ra làm hai phần,một MBA lý tưởng và một tổng dẫn đặc trưng cho các tổn hao của MBA gây ra trong quá trình vận hành,sơ đồ được hiển thị trên hình vẽ:

a: hệ số biến áp, được tính bằng tỉ số điện áp giữa cuộn cao và cuộn hạ, ta xét cả sự

điều chỉnh dưới tải của MBA tại bên cao vì ở phía này dòng điện nhỏ hơn, an toàn hơn Khi chưa điều chỉnh hệ số biến áp định mức k=1 Khi điều chỉnh thì k sẽ khác 1 và k=a/1 Trong sơ đồ này ta tính dòng điện từ hai phía như hình vẽ với chiều đã mặc định Và

từ đó thiết lập hệ phương trình dòng và áp cho mạng hai cửa này:

Ii = -(Ik / a)

Ta có : Ik = Y(Uk-Ui)

Như vậy ,ta có :

Ik = Y.Uk-Y.Ui/a

Ii = -(Y.Uk/a)+(Y.Ui/a2)

Và tương ứng với sơ đồ hình π với các thông số thay thế như sau:

kI

12 11

U

UY

Y

YY

a/YY

iI

12 11

I

UA

A

AA

U.a/10

Y/aa

Như sơ đồ thay thế trình bày ở trên, ta có:

Ii Zd Ik

Y/(a*(1−Y)

Ui Y*(a+1)/ a2 Uk

Đây là sơ đồ thay thế tập trung của máy biến áp hạ áp.Với máy biến áp tăng áp thì

ta nghịch đảo số a tức là hệ số biến áp thay đổi ngược lại

I.3.2 Máy biến áp ba cuộn dây

Trong số liệu kỹ thuật máy biến áp ba cuộn dây, nhà chế tạo cho biết các tham số :

Sđm: Công suất định mức của máy biến áp

UCđm,UTđm,UHđm: Điện áp định mức trên môĩ cuộn dây

Po: Tổn thất công suất tác dụng khi không tải

Io%: Dòng điện không tải phần trăm so với dòng điện định mức

∆Pn: Tổn thất công suất tác dụng khi ngắn mạch khi hai cuộn dây làm việc

Sơ đồ thay thế của máy biến áp ba cuộn dây:

Với các giá trị RbC,RbT,RbH,XbC,XbT,XbH: là các giá trị điện trở và điện kháng của các cuộn cao, trung và hạ của máy biến áp, được tính toán như sau:

a Điện trở tác dụng của các cuộn dây cao áp,hạ áp ,trung áp của máy biến áp

Được tính toán tương tự như trong máy biến áp hai cuộn dây, ta tính điện trở tác dụng theo tổn thất công suất tác dụng ngắn mạch trên mỗi cuộn dây

dd 2

3 2 cdd n b

S

10 U P

∆

=

∆

]PP

P[5,0P

]PP

P[5,0P

]PP

P[5,0P

) c ( n )

t.

h ( n )

h c ( n nh

) h c ( n )

t.

c ( n )

h ( n nt

) h ( n )

t.

c ( n )

h c ( n nc

Thay các giá trị công suất tác dụng ngắn mạch tính được trên từng cuộn dây vào công thức trên, ta sẽ lần lượt tính được điện trở tác dụng của các cuộn dây

b Điện kháng thay thế của từng cuộn dây

Điện khángthay thế của từng cuộn dây được tính thông qua điện áp ngắn mạch của từng cuộn dây đó theo công thức

Xb=

dd

2 cdd n

S 100

U

% u

(Ω)

Với điện áp ngắn mạch phần trăm được tính trên mỗi cuộn dây theo công thức:

2 cdd

o b

U

P

2 cdd

dd o 2

cdd

o b

U 100

S

% I U

Q

I.4 Kháng điện và tụ điện

Để bù công suất phản kháng do các phụ tải và các phần tử của mạng điện tiêu thụ, cũng như để bù thông số phản kháng đường dây, có thể sử dụng các thiết bị bù, ví dụ như máy bù đồng bộ, các bộ tụ điện, các kháng điện…

Các bộ tụ, các máy bù đồng bộ được sử dụng để phát công suất phản kháng vào các nút cảu mạng điện Các thiết bị này được nối với các thanh góp của các trạm và được gọi

là các thiết bị bù song song hay là bù ngang Trong các sơ đồ thay thế các thiết bị bù công suất phản kháng thường được biểu diễn giống như các nguồn cung cấp Trong trường hợp này các giá trị công suất phản kháng do các thiết bị bù phát ra được cho ở các sơ đồ thay thế

Các thiết bị bù các thông số phản kháng của mạng điện là các bộ tụ đấu nối tiếp với

đường dây (bù dọc), các kháng điện nối song song …Trong sơ đồ thay thế các thiết bị bù này được biểu diễn bằng các thông số phản kháng tương ứng: dung kháng của các bộ tụ và

điện dẫn phản kháng của các kháng điện

% u

[ 5 , 0

% u

[ 5 , 0

% u

[ 5 , 0

%

u

) c ( n )

t.

h ( n )

h c ( n nh

) h c ( n )

t.

c ( n )

h ( n nt

) h ( n )

t.

c ( n )

h c ( n nc

Dung kháng của bộ tụ đặt nối tiếp vào đường dây được xác định

ddt

2

dd 10Q

UC

1 =

ω : tần số của lưới điện ,được chon là 314 rad/s

C : điện dung của tụ điện điện đơn vị fara

Udd : điện áp danh định của bộ tụ kV

Qddt : công suất danh định của bộ tụ điện, kVAR

Sơ đồ nguyên lý mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây

Uddk : Điện áp danh định của kháng điện (kV)

Qddk : Công suất danh định của kháng điện (kVAR)

Tổn thất công suất tác dụng trong các thiết bị bù thường không được tính trong sơ đồ thay thế Tính đến ảnh hưởng của tổn thất công suất tác dụng chỉ yêu cầu trong khi đánh giá hiệu quả của mạng điện

Ud

I.5 Phụ tải và sơ đồ thay thế

I.5.1 khái niệm về nút và phụ tải

Nút là các điểm nối hai hay nhiều nhánh lại với nhau, tại đó có các phụ tải, nguồn

điện hay là điểm đấu cho các thiết bị bù của hệ thống đặc trưng cho nút là các thông số

hệ thống là công suet, điện áp nút gồm có 3 loại nút, đó là :

Nút cân bằng (CB) là nút duy trì điện áp ổn định có công suất đủ lớn để gánh tổn thất trên lưới, đây cũng là nút điều tần cho hệ thống và là nút có công suất lớn nhất trong

hệ thống ở nước ta, nút cân bằng chính là nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, có công suất

1920 MW Trong tính toán giải tích lưới, ta sẽ qui ước nút cân bằng là nút thứ 0 trong hệ thống Và nút cân bằng này có điện áp nút là đã biết trước: Uo

Nút nguồn (P, V) được đặc trưng bằng 2 thông số chế độ là công suất nguồn và điện

áp modul của nút Tức là với nút nguồn thì công suất tác dụng và điện áp lưới là đã biết trước Ta cần tìm góc pha của điện áp nút và giá trị công suất phản kháng của nút để duy trì được điện áp nút như trên Số nút nguồn được kí hiệu là: ng

Nút tải (P, Q) là nút tiêu thụ công suất trong lưới, và được đặc trưng bởi hai thông

số chế độ là công suất tác dụng và công suất phản kháng của lưới điện Với nút tải (P, Q), thì ta cần tìm điện áp nút và góc pha của nút

Với một lưới điện có n+1 nút thì bao gồm:

+ 1 nút cân bằng (CB)

+ ng nút nguồn (P,V)

+ n-ng nút tải (P, Q)

I.5.2 Mô hình phụ tải trong tính toán hệ thống điện

Tuỳ theo tính chất của mạng điện và mục đích tính chế độ các phụ tải điện có thể biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau

Ipt = I’pt +j.I”pt = const

Phương pháp biểu diễn phụ tải này được áp dụng trong khi tính chế độ của các mạng phân phối điện áp thấp U < 1kV Thông thường trong các mạng điện thành phố,

Ipt = I’pt+jI”pt = const

nông nghiệp phụ tải cũng được cho bằng dòng điện không đổi về modul và góc pha Các nguồn cung cấp cho các mạng phân phối là các thanh góp hạ áp của các trạm khu vực Thường giả thiết rằng điện áp của các nguồn cung cấp đã biết Khi cho phụ tải ở dạng dòng điện không đổi thì chế độ xác lập của mạng được mô tả cho dưới dạng dòng điện không đổi sẽ dẫn tới sai số rất lớn vì vậy người ta thường không sử dụng dạng phụ tải này trong tính toán

đổi khi thay đổi chế độ, và công suất toàn phần của phụ tải cũng không thay đổi

Trong khi tính các mạng phân phối điện áp thấp, phụ tải được cho bằng công suất không đổi Spt = const với giả thiết rằng điện áp ở tất cả các nút bằng điện áp danh định

Phương pháp này tương đương với cho phụ tải băng các đường đặc tính tĩnh có dạng của các parabol bậc hai:

Ppt = U2Gpt

Qpt = U2Bpt

Biểu diễn phụ tải như trên không đảm bảo độ chính xác cao của các kết quả nhận

được bởi vì trong thực tế chính tổng trở và tổng dẫn của các phụ tải là các hàm số của điện

áp đặt vào Cho tổng trở và tổng dẫn không đổi của phụ tải không đổi khi tính các quá trình quá độ điện cơ

Công suất tác dụng và phản kháng là các đặc trưng quan trọng nhất của phụ tải tiêu thụ điện năng Công suất tiêu thụ của phụ tải phụ thuộc vào điện áp, tần số Đồ thị đặc trưng cho sự phụ thuộc của công suất tiêu thụ vào điện áp hay là tần số trong chế độ xác lập được gọi là các đường đặc tính tĩnh của phụ tải

Các đặc tính tĩnh của phụ tải theo điện áp phản ánh đầy đủ hơn các tính chất của phụ tải so với trường hợp cho bằng dòng điện, công suất hay là tổng trở không đổi, song

sử dụng phương pháp này dẫn đến sự phức tạp trong tính toán Trong nhiều trường hợp các

đường đặc tính này không biết và chỉ có thể sử dụng các đường đặc tính điển hình Tuỳ từng loại phụ tải ( động cơ, chiếu sáng, phụ tải nhiệt …) mà ta có các đặc tính tĩnh khác nhau Xét đến các đường đặc tính tĩnh theo điện áp ảnh hưởng chủ yếu đến kết quả tính chế độ xác lập Sau khi sự cố, điện áp khác nhiều so với điện áp danh định Các đường đặc tính tĩnh theo điện áp đối với các phương pháp biểu diễn khác nhau của phụ tải cho trên hình sau:

Đường 1: Spt = const ( Ppt = const, Qpt = const)

Đường 2: Ypt = const

Đường 3: đường đặc tính tĩnh điển hình P*pt(U)

Đường 4: đường đặc tính tĩnh điển hình Q*pt(U)

e Phụ tải được biểu diễn bằng dòng điện ngẫu nhiên

Phụ tải được cho bằng đại lượng ngẫu nhiên được sử dụng trong khi tính toán chế

độ của các hệ thống điện có tỷ lệ phụ tải kéo lớn Điện khí hoá giao thông là dạng đặc biệt của phụ tải điện , phụ tải này thay đổi theo thời gian về giá trị và vị trí nối Các phụ tải kéo

được biểu diễn dưới dạng Ipt(q), trong đó q là đại lượng ngẫu nhiên Phân tích chế độ có xét đến tính chất ngẫu nhiên của phụ tải được áp dụng để tính các chế độ của các hệ thông

và đặc biệt là với các hệ thông điện cung cấp cho đường sắt

II Thành lập ma trận tổng dẫn

II.1 Khái niệm chung

Để phân tích các lưới điện nhất là khi áp dụng máy tính thì mô hình nút là mô hình

cơ bản và tiện lợi Mô hình này mô tả các đại lượng điện ở các nút của lưới điện: điện áp nút và dòng điện nút Điện áp nút là một đại lượng quen thuộc còn dòng điện nút ta hiểu là dòng điện trong nguồn điện hoặc phụ tải điện (phần tử ngoài lưới) nối vào nút Để tổng quát ta coi điểm đất hay điểm trung tính của lưới là một nút như mọi nút khác, đánh số 0

và có điện áp U0 = 0 nếu được đo so với điện thế của chính điểm đó

Quan hệ giữa dòng và áp nút có thể rút ra từ các định luật Kirchoff 1, 2 và định luật Ohm cho mạch điện Không mất tính tổng quát ta giả thiết lưới điện có 4 nút đánh số từ 0

đến 3, áp dụng định luật Kirchoff 1 cho nút 1 ta có:

I10 + I12 + I13 = J1 (2.1) Trong đó vế trái biểu diễn tổng các dòng điện trong các nhánh của lưới nối tới nút 1, chẳng hạn I10 là dòng nhánh 1 − 0 Nếu trong lưới không tồn tại nhánh nối trực tiếp giữa

1 và 0 thì coi I10 = 0 Vế phải biểu diễn dòng nút J1 ở nút 1 và ta quy ước dòng mang dấu dương nếu đi vào lưới ( nguồn điện ) và mang dấu âm nếu ra khỏi lưới ( phụ tải ) Quy ước này đối với dòng nút dẫn đến xác định dấu dòng nhánh, chẳng hạn dòng nhánh I10 dương nếu đi từ 1 đến 0

ứng dụng định luật Ohm ta biểu diễn các dòng nhánh trong phương trính theo điện

áp hai nút đầu nhánh Phương trình 2.1 trở thành:

y10 ( U1 −U0 ) + y12 ( U1 −U2 ) + y13 ( U1 −U3 ) = J1 (2.2)

Trong đó U kí hiệu điện áp và y10 , y12 , y13 là tổng dẫn các nhánh 1−0 , 1−2 , 1−3 ( bằng nghịch đảo của tổng trở nhánh ), tổng dẫn nhánh bằng 0 nếu không tồn tại nhánh

đó Các đại lượng này khác với đại lượng tổng dẫn ngang của đường dây truyền tải điện, tổng dẫn ngang như thế coi là một nhánh riêng nối với nút đất Nhóm các số hạng trong 1.2 theo điện áp ta có :

−y10 U0 + (y10 +y12+y13 )U1 − y12U2−y13U3 = J1 (2.3)

Phương trình này cho ta quan hệ giữa dòng nút 1 và điện áp các nút trong lưới, mỗi

số hạng ứng với một điện áp nút, hệ số của chúng là một đại lượng có thứ nguyên tổng dẫn

Y10U0 + Y11U1 + Y12U2 + Y13U3 = J1

Phương trình biểu diễn quan hệ giữa các điện áp nút và dòng nút 1, các phương trình tương tự có thể viết cho các nút 0 , 2 , 3 Từ dạng phương trình nút ta có thể lập Hệ phương trình cân bằng dòng nút, viết ở dạng ma trận sẽ là :

YYYY

Y Y Y Y

Y Y Y Y

YYYY

U U U U

JJJJ







 (2.4)

Đây là hệ phương trình tuyến tính, ma trận của hệ là ma trận tổng dẫn nút kí hiệu là

Y, nếu ta cũng kí hiệu U và J là véc tơ điện áp nút và vectơ dòng nút thì phương trình 2.4

có thể viết gọn thành: Y.U = J (2.5)

Dạng của hệ phương trình cân bằng dòng nút không phụ thuộc cấu hình cụ thể của lưới điện, đó là điều kiện cần thiết cho một mô hình tổng quát để nghiên cứu hệ thống Ta khái quát hoá quy tắc xác định tổng dẫn nút cho một lưới điện bất kì, giả thiết không có

hỗ cảm từ giữa các nhánh

Tổng dẫn riêng của một nút k nào đó bằng tổng tất cả các tổng dẫn nhánh nối trực tiếp với nút k :

Ykk = Σykm ( m ≠ k )

Nếu nhánh nối trực tiếp k − m không tồn tại thì ykm = 0, tổng trên lấy theo mọi nút

m, m ≠ k và ta thấy đại lượng tổng dẫn riêng của 1 nút trong lưới bao giờ cũng khác 0 Tổng dẫn tương hỗ giữa nút k và nút m bằng giá trị âm của tổng dẫn nhánh k − m

và bằng 0 nếu không tồn tại nhánh này:

Ykk = − ykm

Như vậy ma trận tổng dẫn có thể xác định từ thông số nhánh và đó là một ma trận

đối xứng vì Ykm = Ymk Nếu lấy tổng các phần tử của một hàng hay một cột của ma trận thì

ta được giá trị 0, nói cách khác ma trận có một hàng (một cột) phụ thuộc vào hàng (cột) khác Ma trận như vậy là suy biến, không tồn tại ma trận nghịch đảo

Mặt khác tổng các phần tử của vectơ dòng nút j ở vế phải của (2.4) cũng bằng 0 theo luật cân bằng dòng vào − ra của toàn lưới điện Vậy một phương trình trong hệ phương trình là phụ thuộc, nó bằng tổng của các phương trình khác Hệ phương trình như vậy theo toán học sẽ có nghiệm không duy nhất, tức là với vectơ J đã cho có nhiều nghiệm điện áp

nút thoả mãn hệ phương trình

Trở lại phương trình 2.2 ban đầu, trong phương trình này vì điện áp chỉ xuất hiện dưới dạng hiệu hai điện áp nên phương trình thoả mãn với vô số điện áp có giá trị khác nhau cùng một hằng số cộng Nếu điện áp được so sánh với một nút quy chiếu là nút đất − nút số 0 như đã nói ở trên, có điện áp U0 = 0 Thay giá trị này vào hệ phương trình đồng thời bỏ đi phương trình ứng với nút 0 có dòng i0 phụ thuộc vào các dòng nút khác thì hệ phương trình trở nên hoàn toàn xác định và có nghiệm duy nhất

Như vậy điện áp của lưới xác định khi ta cho trước trị số của nó ở một nút nào đó trong lưới, nút này gọi là nút cơ sở điện áp của lưới, nó xác định một “mặt bằng điện áp”

cho lưới Từ đây ta sẽ giả thiết nút 0 là nút cơ sở điện áp có U0 = 0, nút 0 (nút đất) liên hệ với các nút lưới thông qua nhánh điện dung của đường dây, nhánh từ hoá của máy biến áp, nhánh bù ngang Trong hệ trên không còn phương trình với nút đất nhưng các nhánh

ngang nối đất trong lưới vẫn tham gia vào các phương trình khác trong các đại lượng tổng dẫn riêng của nút ( Ykk )

Tóm lại đối vời lưới điện n + 1 nút ta sẽ có n phương trình cân bằng dòng nút độc lập Trên cơ sở xây dựng hệ phương trình cân bằng dòng nút (2.4) ta có những khái niệm cơ bản về tổng dẫn nhánh, tổng dẫn tương hỗ, tổng dẫn riên , ma trận tổng dẫn, điện áp nút, dòng điện nút, nút cơ sở điện áp … Tuy nhiên như đã nói ở trên, mô hình lưới điện sử dụng

để lập phương trình tính toán là mô hình lưới chuẩn, nhánh chuẩn Vì vậy ta sẽ viết hệ phương trình cân bằng dòng nút cho mô hình này ở phần tiếp theo

II.2 Hệ phương trình cân bằng dòng nút viết cho lưới chuẩn

Giả thiết sơ đồ bao gồm các nhánh chuẩn với n + 1 nút kể cả nút đất, nút đất có số thứ tự là 0 Xét nút k gồm các nhánh nối trực tiếp với k qua máy biến áp lý tưởng, nguồn dòng bơm vào nút ký hiệu là Jk , Jk có thể được tính từ công suất và điện áp nút

Với nút nguồn :

U

S

* k

* k k

* k k

J  = −

Trong đó: Sk* , Uk* là trị số liên hợp của công suất và điện áp nút Đối với nút trung gian Jk = 0

Ikmk

kU

Jk

kmK

kmI'k'U'k

áp dụng định luật Ohm cho các nhánh :

∑

≠

n k

m 0

m

' k

m 0

m k

K

Z

UU

m 0

n k

m 0

m km m

km k

m 0

m k

K

Z

UK

m 0

n k

m 0

m km m

km k

km

J U U

1

Z

KZ

i km

kk

Z

KZ

+ +

= +

+ +

= +

+ +

n n nn 2

2 1

1

2 n n 2

22 1

21

1 n n 2

12 1

11

J U Y

U Y U Y

U Y U Y

J U Y

U Y U Y

II.3 Ma trËn tæng dÉn nót

Phần 2 ta đã có định nghĩa về tổng dẫn nút gồm tổng dẫn riêng và tổng dẫn tương hỗ

Cách xác định từng phần tử như sau :

- Tổng dẫn tương hỗ : tổng dẫn tương hỗ giữa nút k và nút m bằng giá trị âm của tổng dẫn nhánh k−m nhân với hệ số biến áp của máy biến áp lý tưởng và bằng 0 nếu không tồn tại nhánh này :

km km

Akm = K2

km nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tưởng nối trực tiếp với nút k

Akm = 1 nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tưởng nối gián tiếp với nút k

Nếu nhánh nối trực tiếp k−m không tồn tại thì ykm = 0, tổng trên lấy theo mọi nút m với m ≠k và ta thấy đại lượng tổng dẫn riêng của một nút trong lưới bao giờ cũng khác 0

và như vậy mỗi hàng( cột ) của Y trung bình chỉ có 4 phần tử khác không( 3 tổng dẫn

tương hỗ và 1 tổng dẫn riêng trên đường chéo chính ) Nếu lưới điện có 100 nút thì số phần tử khác 0 chỉ chiếm 4% Do đó việc khai thác tính chất thưa của ma trận tổng dẫn nút rất quan trọng trong giải tích chế độ xác lập hệ thống điện Nó cho phép giảm khối lượng tính toán và bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu Kỹ thuật xử lý ma trận thưa là vấn đề rất khó trong lập trình và ta sẽ đề cập đến ở phần sau của đồ án này

Từ đây ta có thể suy ra cách tính thực dụng ma trận tổng dẫn nút Y :

XX

R

R

2 km

2 km

km 2

km

2 km

km j

+

− +

Tính hệ số biến áp của máy biến áp lý tưởng trên nhánh k−m

Từ định nghĩa về nhánh chuẩn ta có Kkm = U’k/Uk với U’k là điện áp phía tổng trở Zkm Tổng trở này đặt phía cao áp của máy biến áp lý tưởng nếu khi tính toán quy đổi theo điện

áp cuộn cao áp Về nguyên tắc có thể quy đổi theo điện áp cuộn cao áp, cuộn trung áp hay cuộn hạ áp nhưng thông thường người ta quy đổi theo cuộn cao áp Như vậy nếu giả thiết mọi máy biến áp trong lưới điện có tổng trở thay thế quy đổi theo cuộn cao áp thì hệ số máy biến áp của máy biến áp lý tưởng luôn bằng điện áp của cuộn cao áp chia cho điện áp của cuộn hạ áp

Tính tổng dẫn tương hỗ

km km

Y =−  Tính tổng dẫn riêng

km k

Akm = K-km nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tưởng nối trực tiếp với nút k

Akm = 1 nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tưởng nối gián tiếp với nút k

Nếu nhánh nối trực tiếp k−m không tồn tại thì ykm = 0

II.4 Hệ phương trình cân bằng công suất nút

Trong thực tế đối với bài toán tính chế độ xác lập thường không cho trước dòng nút

mà cho trước công suất nút của nguồn điện hay của phụ tải điện Vì vậy để lập mô hình toán học cho bài toán phân tích chế độ ta xây dựng phương trình nút ở dạng cân bằng công suất nút

Nếu gọi điện áp phức ở nút lưới k là Uk = uk + jvk và dòng điện phức( phụ tải hay nguồn điện ) ở nút k là Ik Như ta đã biết ở trên, ta có phương trình chế độ xác lập:

k k k

U

jq p



Ta nhận thấy vế trái là phi tuyến đối với điện áp, dấu * chỉ số phức liên hợp của điện

áp Biến đổi (2.9) ta có công suất nút là:

pk + jqk = = ∑

m

* m km

* k

* k

Tách phần thực và ảo trong (2.11) ta có :

pk = u ( u v B ) v ( v ukBkm)

m k kmk

km k

m k km

k∑ G − + ∑ G +

pk = v ( u v B ) u ( v ukBkm)

m k kmk

km k

pk + jqk = Uk j k

m j

mYkmU e θ − ψ

∑

Trong đó θkm = θk − θm tách phần thực phần ảo ta có:

pk = Uk∑YkmUmcos(θkm −ψkm)

Bây giờ ta xem xét việc giải các phương trình này Trong trường hợp chung thì P , Q

là những hàm phức tạp của điện áp và tần số , do vậy phương trình có dạng phi tuyến rõ rệt nên không thể dùng phương pháp giải tích tường minh mà phải dùng phương pháp giải thích hợp , đó là phương pháp lặp Có nhiều phương pháp lặp khác nhau để giải hệ phương trình phi tuyến Trước hết ta có một số nhận định về hệ phương trình công suất nút :

Giả sử lưới điện có n + 1 nút đánh số từ 0 và ta không viết phương trình cho nút này Tại mỗi nút có 4 biến thực pk , qk , Uk , θk hoặc pk , qk , uk , vk Nếu cho trước 2(n +1) các

đại lượng này thì từ 2(n +1) phương trình chế độ xác lập ở trên ta có thể xác định được 2(n +1) biến còn lại Điều này được thoả mãn nếu ta biểu diễn nút phụ tải bởi công suất P và

Q là những hằng số đã biết Đối với nút nối dây (nút trung gian) thì P = 0 , Q = 0 hoặc Q =

Qc với Qc mô tả cho công suất do điện dung đường dây sinh ra Với nút nguồn điện cho trước công suất tác dụng P và modul điện áp U Ta có những nhận xét sau:

− Phương trình (2.14) dạng toạ độ cực chứa một biến số là góc pha của điện áp, tuy nhiên các phương trình này chỉ phụ thuộc vào góc tương đối giữa hai nút θkm = θk − θm Do

đó nếu cộng thêm một đại lượng nào đó vào tất cả các góc thì không làm thay đổi phương trình Đó là vì về vật lý góc điện áp được định nghĩa so với một mốc nào đó tuỳ chọn và ta phải chọn trước một góc cho một nút nào đó

− Không thể xác định trước công suất P ở tất cả các nút của lưới điện vì điều kiện cân bằng công suất quy định phải có một nút nào đó có công suất phát vào lưới phụ thuộc tổng công suất phụ tải, tổn thất công suất trên lưới và tổng công suất phát ở các nguồn khác, các đại lượng này vốn luôn luôn thay đổi Nút như vậy gọi là nút cân bằng công suất và